离子液体｜征服红色星球的百变材料

    图中是2013年连接到国际空间站外部的MISSE-8上的试验样品盘。这些样本盘上盛着环氧树脂离子液体的样品（ionic liquid epoxy samples）。这些液体能够帮助制造未来航天器的复合材料低温储罐。

    像图中这种由离子液体基环氧树脂（ionic liquid-based epoxy）和商业碳纤维（commercial carbon fibers）制成的复合包装材料压力罐马上就要在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心进行低温和压力测试。

    当你需要工具或者零件来改造房子的时候，你可以去最近的五金商店。但是太空旅行者们可享受不到这种奢侈品。他们在长途太空任务（例如火星任务）的过程中可能必须要自己动手制造工具和零件。在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心里，科学家和工程师们利用来自国际空间站的试验数据进行液体研究，来研发可以在进行外太空探索的过程中用来制造方便的工具的液体。

    材料国际空间站试验（Materials International Space Station Experiments，MISSE）连接到空间站的外部已经十年了。在那里，超过4000种材料暴露在恶劣的太空环境中，这其中包括一种叫做离子液体的特殊液体和一种新型环氧树脂。科学家们目前正在研究这两种液体是如何抵御轨道外部环境的。这种类型的液体都具备较低的熔点，并不像普通化学物质一样易燃。它们通常蒸气压很低，这意味着它们不容易蒸发，并且更容易保存在真空中。

    因为离子液体的独特的化学性质，我们可以在它们的帮助下，使用类似烤面包的温度来在月球或者火星的土壤中提取金属和氧。马歇尔中心的材料学家Laurel Karr 说，被提取的金属可以用作3D打印材料，而氧气可以维持生命或用作推进力。

    Karr 表示，离子液体可以用来溶解火星表面的风化层，无论是对人类还是机器人而言，探索者们通常用于探查火星的钻头寿命都会因此得以延长。

    我们钻入行星或者小行星的表面来获得地质研究的样本， Karr说。有了这种液体，我们可以获取液体状态的样本，直接在钻取现场进行化学研究。

    NASA对这些离子液体有兴趣不仅因为它们对于探索任务的很多用途，还因为它们是环保的化学品。对比目前在地球上使用的提取贵金属的方式，使用离子液体从矿物中提炼金属可以避免对环境造成不良影响。例如，按常规方法提取镍需要在1350摄氏度的环境下使用硫酸来融化材料。因为酸的毒性，这种方式在封闭的航天器里是不切实际的，而离子液体可以在200摄氏度的陨石中提取镍。

    此外，科学家们也在探究另一种可能性——利用离子液体从空气提取二氧化碳，将其分解成用于呼吸的氧气和用于推进的甲烷，从而在太空中维持生命。许多种离子液体在经过过滤后或在电解或氢化后，甚至可以被制成有用的、可回收的材料，在太空中或地球上使用。

    离子液体中让人充满兴趣的一种是环氧树脂。Richart Grugel ，马歇尔中心的一位材料学家，已经和他的同事系统地研究了离子液体制成的环氧树脂，发现它们非常坚固，能够很好地结合碳纤维，还可以忍耐低极端的温液氢液氧温度。

    2013年，在MISSE-8上对两种不同类型的离子液体的环氧树脂进行了试验。在暴露在太空环境中暴露两年以后，环氧树脂恢复了原来的状态后被航天器X空间龙带回地球。液体的测试样本显示出了经过太阳紫外线辐射而产生的阴影，但是并没有裂缝，没有脱开粘接，也没有发现重量和粘连性的变化。

    这些属性表明环氧树脂可用于制造碳纤维复合材料低温液体储存罐，Grugel说。这种存储罐会比目前用于发射航天器的铝制罐轻很多。

    细微裂痕会导致漏水，这是早期复合材料低温存储罐设计一直所面临的挑战。马歇尔中心一直在进行关于复合包装压力罐（小型金属罐子外面包裹离子液体环氧树脂制成的商业碳纤维）的测试，目的是确认这种离子液体到底能否用于构建这种储存罐，使它们更强韧。

    研究显示，这种多功能液体不仅可以用于建造和修理去火星的航天器，而且可以在到达火星后帮助我们维持生命，完成更多探索。 Grugel 说。

    正如MISSE试验所证实的，科学是需要时间证明的，试验样本在被带回地球之后的几十年间一直在起作用。MISSE试验成功地验证了NASA、商业公司、美国国防部所使用的原材料的性能、稳定程度和长期耐受性。很多航天器如今的安全运行需要感谢MISSE试验，因为MISSE帮助这些航天器选择了最合适太空环境的材料。第一队火星探索者也需要感谢MISSE，因为MISSE帮助他们找到创新型原料和操作方式，让他们可以在火星维持生命。

    Laurel Karr 和 Richard Grugel，两位NASA马歇尔太空飞行中心的材料学家，最近通过NASA TV播放的《空间站现场》（ Space Station Live）讲述了国际太空站试验中所运用的材料。这次调查着重探究了离子液体，这种液体很有可能运用于航天器储存罐的设计和在火星土壤中提取氧或者其他元素的有价值工具，是一种既神奇又环保的液体材料。

    中国液态金属逆天：逆重力攀爬

    据中科院官网消息， 近日，中科院理化技术研究所低温生物与医学研究组首次报道了液态金属可在石墨表面以任意形状稳定呈现的自由塑型效应，并实现了逆重力方式的攀爬运动。研究以封面文章形式发表于《先进材料》。此前，金属液滴因自身表面张力较大，在电解液中通常以球形方式存在，塑形能力及变形模式相对有限。

    图1：期刊封面故事及液态金属在石墨表面的自由铺展与塑形效应

    图2：石墨基底表面的液态金属在外电场作用下的变形与匍匐运动行为

    图3：电控液态金属以蠕动变形方式在石墨斜坡上逆重力攀爬的情形（侧视及俯视图）

    在这篇题为《石墨表面上的液态金属操控》（Hu et al., Manipulation of Liquid Metals on A Graphite Surface, Advanced Materials, vol. 28, pp. 9015, 2016）的论文中，研究组首次发现通过引入石墨基底，可灵活自如地将处于电解液环境中的液态金属塑造成各种锐利图案如条形、三角形、方形、环形以及更多任意形状（图1）。

    迄今，液态金属虽可通过外加电场短暂改变形状，然而一旦去除外场，液态金属即会在其表面张力作用下迅速回缩成球形，无法维持先前的结构。此次发现的液态金属自由铺展与塑型效应，为柔性变形机器人的研制乃至4D打印等提供了新方向。

    实验表明，将一滴液态金属置于浸没在氢氧化钠溶液中的石墨表面上时，液态金属会自动摊开形成扁平的煎饼状，这与位于玻璃基底上以球形方式呈现的液态金属非常不同（图1）。

    引发这类铺展效应的原因主要来自液态金属与石墨基底间的电化学相互作用。在碱性溶液中，石墨表面通常带正电荷，而液态金属表面带负电荷，当这两种导体接触时，电荷会从液态金属流向石墨，液态金属表面被氧化形成氧化膜，这会显著降低其表面张力，此时液态金属表现为类似于泥浆的状态，由此可被随意塑造成各式各样的形状。

    该项研究首次实现了在开放液体环境中的液态金属自由塑形，突破了原有的液态金属元件调控模式，在不定形柔性电子器件、可变形智能机器的设计乃至先进制造方面有重要价值。

    进一步地，基于石墨表面的液态金属自由塑形效应，研究人员探索了电场作用下液态金属不同于传统基底材料如塑料、玻璃等情形的丰富的物理化学图景（图2），初步揭示了其独特的变形及匍匐运动行为的内在机制。

    有趣的是，作者们还首次揭示出处于自由空间下的电控液态金属的蠕动爬坡能力，实现了逆重力方式的运动（图3）；而采用常规材料，液态金属会因自身重力较大且表面光滑难以攀爬的缘故，不易通过外电场实现逆重力牵引。

    新发现扩展了近年来兴起的液态金属柔性机器的理论与技术内涵。

    光子晶体超浸润性研究取得新进展

    光子晶体特殊的光学调控性能使之在传感、催化、检测等光学器件方面具有重要应用。由于光子晶体的特殊浸润性赋予其更多优异性能及新应用，光子晶体超浸润性研究得到广泛关注。

    在国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，中科院理化技术研究所仿生材料与界面科学院重点实验室的科研人员在具有超浸润性光子晶体的制备及应用方面取得一系列进展。研究人员考察了基底浸润性对光子晶体组装单元乳胶粒的形貌影响（ Adv. Mater. Inter. 2015, 1400365；J. Mater. Chem. C 2015,3,2445 ），利用界面特殊的浸润性调控，实现了具有特殊光功能的花形（ Chem. Commun. 2015,51,1367 ）及面包形（ Chem. Commun. 2016, 52,3619 ）的各向异性光子晶体。利用基底的特殊浸润性调控，制备得到具有良好光波导行为的光子晶体微阵列（ ACS Appl.Interf. 2016,8,4985 ）。进一步利用所制备的聚离子液体反蛋白石结构光子晶体的梯度浸润性，实现了具有单一结构的光子晶体驱动器的制备（ Chem.Commun. 2016, 52,5924 ）。

    近期，研究人员系统总结了光子晶体的特殊浸润性对其应用的贡献。从自然界光子晶体的特殊浸润性的作用为源，总结了超浸润性光子晶体的构筑思路及相关实例，及光子晶体超浸润性所赋予材料的传感、检测、防污、驱动、油水分离等新应用（ Chem. Soc. Rev. 2016,doi.10.1039/c6cs00562d ）。

    光子晶体的超浸润性及其相关应用

    哈佛大学研制出世界首个由软性材料制成的自主机器人

    近期媒体报道，美国哈佛大学威斯生物工程研究院研制出名为octobot的微型机器人，该机器人是世界首个全部由软性材料制成的自主机器人。

    octobot采用软性材料替代了包括电池和电子控制系统在内的所有刚性组件，造型酷似无骨章鱼。软性材料采用3D打印技术制作，并在材料内部留有可布置电源和控制线路的通道。

    octobot将自身携带的过氧化氢气体注入肢体内，在机器人内部构建的微流体网络，使肢体充气膨胀，从而移动。同时，该微流体网络可在程序控制下，在特定的时间序列中，停止向某一肢体充气，转而向另一肢体充气使其膨胀，改变机器人的移动方向和速度，具备较高程度的自主性。

    据称，采用软性材料制成的自主机器人在许多领域有广泛的应用前景，而下一个版本的octobot更将具备游泳以及与周围物体进行交互的能力。

    耐高温材料技术突破 助推高超声速飞行器发展

    globalfuturist网站近日报道，南加利福尼亚大学（USC）科研人员一直在研究耐高温材料，并接近成功。一旦该材料研制成功，可广泛应用于航空航天、机械制造和工程等领域。

    大部分材料在加热后都会膨胀，给工程应用带来挑战。类似于桥梁、建筑物等大型结构必须具有允许膨胀的连接处，使结构能够安全地膨胀。像BAE、波音和洛马等公司在研究HTV-2等高超声速飞行器的过程中必须解决热力学问题。当不同材料制成的部件受热时以不同的速率膨胀时，会产生裂纹或发生断裂，在其他大型建筑物中事很常见的。

    南加利福尼亚大学设计了一种由不同材料制造3D打印结构的制备工艺。首先，将这些材料以液态打印，随后通过紫外光使其固化。该设计团队利用该工艺打印出了一种具有内部点阵结构的物体，该结构由多个杆以特定角度排列而成。当该物体被加热后，其组成材料以不同的膨胀速率发生膨胀，但这些膨胀会使这些杆往里移动，最后结果就是该物体对外表现出缩小，而不是膨胀。

    该设计团队希望利用不同材料和不同点阵排列定制膨胀率和缩小率，甚至制造出零膨胀材料，那么届时那些桥梁和建筑物将更加安全，更重要的是该技术可应用于高超声速飞行器结构设计。

    仿壁虎材料可在极端温度下 保持超强粘结特性

    美国代顿空军研究实验室与凯斯西储大学联合开发出一种受壁虎脚启发的新型干性仿生粘结材料，可在极端温度下保持超强粘结特性，甚至在温度越高时粘结越牢固。研究人员将这种由碳纳米管组成的粘结材料制成双面胶带，无论在液氮低温环境还是在熔融的金属银中，胶带粘结性能都不会下降。

    粘结材料由竖直排列并捆绑至固定节点的碳纳米管构成，具有类似壁虎足垫表面微毛的显微结构。壁虎得益于这种微毛结构，可以在垂直的墙壁上自由行走，受此启发，人们已经开发出多种粘结材料或粘附装置。然而，大多数商用胶带在低温或较高温度下会失去粘性，但这种碳纳米管新型粘结材料可以在-196℃下保持粘附力，而在418℃时粘附力是常温的2倍，在1033℃下达到6倍！

    研究人员使用高能扫描电子显微镜观察这种粘附力增加的反常现象，发现碳纳米管在高温下会塌陷成网状结构，增大了与粘结材料的接触面积，提高了起到粘结作用的范德华力。这种干性粘结材料在低温下不会失去粘结效果，是因为粘结材料表面并没有因为温度降低而发生变化。

    这种新型粘结材料在温度变化达数百摄氏度的太空环境中具有巨大的应用前景。此外，该材料还具有导热和导电特性，可用于电子领域，保证电路或元器件的高温性能。研究人员表示，在室温下，这种碳纳米管双面胶带在许多粗糙表面具有和商用胶带一样的粘结力，如纸张、木材、塑料和墙等表面，可用于家用导电胶带和壁虎机器人。该研究成果近日发表于《自然通讯》期刊。

    超材料使无需半导体的微电子学成为现实

    加利福尼亚州圣地亚哥大学的工程师制造了第一个无半导体的光控微电子器件。使用超材料，工程师能够构建一个微电子器件。当使用低电压和低功率激光激活微电子器件时，器件显示出1000％的电导率增加。

    该发现这项工作在11月4日发表在Nature Communications上。

    研究人员说，现有微电子器件（例如晶体管）的能力最终受其构成材料（例如其半导体）性质的限制。

    例如，半导体可以对器件的电导率或电子流施加限制。半导体具有所谓的带隙，意味着它们需要增加外部能量以使电子流过它们。当电子流过半导体时，电子不断地与原子碰撞，因此电子速度受到限制。

    由位于加利福尼亚州圣地亚哥市的电气工程教授Dan Sievenpiper领导的应用电磁学研究小组试图通过在空间中用自由电子替代半导体来消除这些导电性的障碍。我们想在微尺度上做到这一点，Sievenpiper实验室前博士后研究生及本研究的第一作者Ebrahim Forati说。

    然而，从材料中释放电子是具有挑战性的。它要么需要施加高电压（至少100伏特），要么需要大功率激光器或极高的温度（大于1000华氏度），这在微米和纳米级电子设备中是不可用的。

    为了解决这个挑战，Sievenpiper的团队制造了一个微尺度器件，可以不需要这样的极端要求而从材料中释放电子。该器件由硅晶片顶部的一个工程表面，称为超材料表面组成，硅晶片和超材料表面之间具有一层二氧化硅。该表面由在平行金条阵列上的金蘑菇状纳米结构阵列组成。

    金超材料表面是这样设计的，当施加低DC电压（低于10伏特）和低功率红外激光器时，超材料表面产生具有高强度电场的热点，其提供足够的能量把电子从金属材料中释放出来，进入空间。

    器件上的测试显示电导率有1000％的变化。这意味着更多的可用电子被操纵。Ebrahim说。

    美国研制出新型高效防冰材料

    美国休斯顿大学研究人员日前开发出一种具有磁性光滑表面的新材料，可以用于任意表面防冰，且性能超过所有现有防冰材料，研究成果发表于《自然通讯》期刊。

    结冰会造成许多危害，如飞机机翼结冰会引起飞机抖动，使飞机操纵变得困难，甚至坠机；电力线结冰会导致线缆崩断等。结冰现象是由于过冷水（温度低于0℃的液态水）滴接触到材料表面时发生润湿并凝结形成的。除冰的方法包括加热材料表面使冰融化、外力除冰、溶解除冰、或者在水接触到材料表面时不发生润湿和粘附，使冰无法在材料表面附着。此前认为具有不润湿的疏水表面具有很好的防冰效果，但是这些表面在较低温度下难以克服冰的高结合强度，效果有限且成本较高。

    为了克服以上问题，休斯顿大学研究人员研制了一种叫做磁性光滑表面（MAGSS）的材料，材料内层是磁性涂层，外层是由悬浮的氧化铁纳米颗粒组成的磁流体层。当水滴接触到新材料表面，磁流体会有效阻挡水滴接触和润湿，使水滴滑落而防止结冰。

    相较于目前防冰材料的-25℃最低工作温度，MAGSS材料可在-34℃下有效防冰，效果提升明显。研究团队计划开发喷涂的方式来涂覆这种新型防冰材料，未来将有望大幅提升飞机和能源设施的防冰性能。

    新材料可在半干燥条件下自愈能修复99%

   能在半干燥状态下自愈的新材料

    在拥有能自我修复的汽车或建筑物前，人们需要能在无水环境中自我修复的材料。自愈性材料在柔软和潮湿的条件下能很好地发挥效用，研究人员发现，当材料变干后，自愈能力会减弱。不过，日本大阪大学科学家近日制造出一种在半干燥条件下能修复99%表面切口的新材料。研究人员首次将物理和化学方法同时用于自愈材料，相关论文发表于《化学》。

    结合自我修复的物理和化学特性，能使材料在更干燥和坚硬的状态下快速和有效地自愈。该论文作者、超分子聚合物化学家Akira Harada说。新材料只需要少量的水蒸气促进修复，换句话说，水只是充当修复过程中需要的无毒胶水。参与该研究的副教授Yoshinori Takashima说。

    通常，材料工程师会为材料嵌入充满自愈物的微囊或路径，或者利用多轮烷等分子建造材料。自愈材料的化学性则是指使用包括可逆化学反应和氢键结合等分子间相互作用等在内的可逆纽带。

    Harada实验室利用多轮烷作为主体结构，并交联了可逆相互作用，将自愈性的物理和化学机制结合到新材料中。多轮烷结构能让材料利用应力松弛修复浅坑；而化学可逆作用能使其修复深坑。这种结合方法让这种材料能在10分钟里恢复80%。

    超分子聚合物材料研究取得的突破展示了精巧设计能在宏观尺度上带来功能进步。该研究论文第一作者、工程学助理教授Masaki Nakahata说，无论是坚硬还是自我修复，聚合材料都为材料科学开辟了一个新前沿。

    科学家表示，该材料用途广泛，能用于汽车涂层、建筑物和医疗设备领域等。他们还计划设计能在环境条件下自愈的硬质材料。

    科学家发现液态水第二形态：属性完全改变

    水是地球上最常见的物质之一，但一个国际团队的最新研究却使水变成了我们最熟悉的陌生人。这项新发现指出，液态水或存在第二种状态，当水被加热到40℃—60℃之间时，它的导热性、折射率、导电性、表面张力等属性也会发生改变。

    一般认为，水有三种基本状态：固态、液态和气态。现在，由英国牛津大学物理学家劳拉·马斯特罗领导的国际团队发现，当水温介于40℃—60℃之间时，液态水会在两种状态间切换，根据其切换的状态不同，会展示出一整套全新的属性。

    他们对水温在0℃—100℃之间变化时的导热性、折射率、导电性、表面张力、介电常数等属性进行了深入研究。结果显示，一旦水温达到40℃，属性开始改变，直到水温为60℃。不过，每个属性的转型温度不同，比如折射率改变时约为50℃、导电性约为53℃、表面张力约为57℃。研究人员认为，这是因为液态水进入了一种不同的状态。

    研究人员表示，特定温度下水能在两种完全不同的状态间切换这一事实，或许与水拥有如此多非同寻常的属性有关。水分子间的连接非常短暂，且连接水分子的氢键远比分子内连接单个氢原子和氧原子的键微弱，因此，这些氢键会不断地分开并再次形成，使水拥有某些非凡的属性。但具体原因还是个未解之谜。

    研究人员称，尽管水可能存在四种状态的最新结论，还需经其他研究团队证实后才能改写教科书，但这项发现可能有助于我们更好地理解纳米尺度上的生物特性。

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责任编辑：王元

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